Quelle: Universität Duisburg-Essen (UDE), Dr. Alexandra Nießen 20. Juli 2022.

20. Juli 2022 – „Mich interessiert, wie das Klima von (frühen) Planeten-Atmosphären physikalisch entstehen konnte. Woraus bestanden sie chemisch? Und wie wechselwirken Jets mit ihrer Umgebung?“, skizziert Rolf Kuiper. Was haben Jets mit Planeten zu tun? „Nahezu gar nichts“, lacht der UDE-Professor. Sie bezeichnen in der Astronomie einen Gas-Strom und durchqueren das Universum über Lichtjahre.

An der UDE wird Rolf Kuiper unter anderem untersuchen, wie erdähnliche Gesteinsplaneten, Gasriesen und Schwarze Löcher entstanden sind. Dabei geht er bis in die frühen Zeiten unseres Universums zurück. „Wir modellieren physikalische Phänomene von der Wechselwirkung von Staubkörnern mit Winden und Strahlung bis hin zu an Masse zunehmenden astrophysikalischen Objekten. Darunter finden sich etwa Planeten, Sterne und Schwarze Löcher, die wir am Hochleistungsrechner modellieren“, so Kuiper. In der UDE-Physik kann er dazu mit dem Experimentellen Astrophysiker Prof. Dr. Gerhard Wurm und dem theoretischen Physiker und Heisenberg-Stipendiaten Dr. Eric Parteli kooperieren. Damit schärft er zugleich das UDE-Profil in diesem Bereich.

Rolf Kuiper studierte Physik von 2000 bis 2006 an der Universität Heidelberg. Dann forschte er bis 2010 am Max-Planck-Institut (MPI) für Astronomie, wo er 2009 promoviert wurde. Danach ging er in die USA ans Jet Propulsion Laboratory (Raketenantriebslabor) des California Institute of Technology (2011-2012); es baut und steuert für die NASA Raumsonden und Satelliten. Zurück in Deutschland arbeitete der Postdoktorand an den Universitäten Heidelberg (2012) und Tübingen (2013) sowie am MPI für Astronomie (2013/14). Von 2015 bis 2021 leitete er eine Emmy Noether Forschungsgruppe an der Uni Tübingen und von 2021-22 eine Heisenberg-Forschungsgruppe an der Uni Heidelberg.

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• Planetenentstehung

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Quelle: Joachim Herz Stiftung.

Forschungsteams auf der ganzen Welt konnten in den vergangenen Jahren wichtige Erkenntnisse über die Entstehung des Universums gewinnen. Sie stützten sich dabei auch auf die Arbeiten von Valery Rubakov. Für seine Forschung erhält der russische Physiker in diesem Jahr den mit 137.036 Euro dotierten Hamburger Preis für Theoretische Physik. Rubakov ist leitender Wissenschaftler am Institut für Kernforschung der Russischen Akademie der Wissenschaften in Moskau und Professor an der Staatlichen Lomonossov-Universität Moskau. Der Preis wird Rubakov im November 2020 in Hamburg gemeinsam von der Joachim Herz Stiftung, dem Wolfgang-Pauli-Centre von DESY und der Universität Hamburg, dem Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) und den beiden Exzellenzclustern „CUI: Advanced Imaging of Matter“ und „Quantum Universe“ der Universität Hamburg verliehen.

Der Hamburger Preis für Theoretische Physik ist eine der höchstdotierten Auszeichnungen für Physik in Deutschland. Das Preisgeld ist eine Anspielung auf die Sommerfeldsche Feinstrukturkonstante, die in der Theoretischen Physik eine wichtige Rolle spielt. Rubakov gehört zu den anerkanntesten zeitgenössischen russischen Theoretischen Physikern. Er deckt ein breites Forschungsfeld ab und gilt als Experte in der Quantenfeldtheorie, der Elementarteilchenphysik und der Kosmologie.

„Mit Valery Rubakov zeichnen wir in diesem Jahr einen Forscher aus, der weitreichende Impulse in vielen Bereichen der Theoretischen Physik gegeben hat. Sie haben unsere Sicht auf das Universum maßgeblich geprägt. Er hat wichtige Beiträge für unser Verständnis der Zeit kurz nach dem Urknall und der weiteren Entwicklung unseres Kosmos geleistet, zum Beispiel zur Entstehung von Materie und zum Verschwinden der Antimaterie und damit zur Frage, warum sich Planeten und auch unsere Existenz auf der Erde überhaupt entwickeln konnten“, so Dr. Henneke Lütgerath, Vorstandsvorsitzender der Joachim Herz Stiftung.

Forschungsaufenthalte in Hamburg
Als Preisträger wird Rubakov ab Herbst 2020 auch Forschungsaufenthalte in Hamburg absolvieren und sich mit hiesigen Wissenschaftler*innen austauschen. „Wir freuen uns, dass mit Valery Rubakov ein Wissenschaftler mit Visionen ausgezeichnet wurde. Er hat tiefgreifende theoretische Fragen aufgeworfen, die noch immer Forschungsaktivitäten in der Theoretischen Physik antreiben und somit auch für die Grundlagenforschung der Hamburger Teilchenphysiker*innen relevant sind. Durch seine fundierten Forschungen hat Rubakov einen großen und weitreichenden Einfluss auch auf benachbarte Fachgebiete und ist somit nicht nur für uns Theoretiker*innen ein spannender Preisträger, sondern auch für die Mathematiker*innen und Experimentalphysiker*innen“, sagte Professor Volker Schomerus, Juryvorsitzender für die Preisvergabe und Sprecher des Wolfgang-Pauli-Centre. Das 2013 gegründete Institut bündelt die Forschungsaktivitäten in der theoretischen Physik in Hamburg.

Werdegang von Valery Rubakov
Valery Rubakov, geboren 1955, hat Physik an der Lomonossov Universität in Moskau studiert und wurde 1981 am Institut für Kernforschung promoviert. 1987 wurde er dort Vizedirektor der Forschung und 1994 leitender Wissenschaftler. Er ist seit 1998 Vollmitglied der Russischen Akademie der Wissenschaften in Moskau, seit 2015 Mitglied der American Academy of Arts and Sciences und korrespondierendes Mitglied der Hamburger Akademie der Wissenschaften. Für seine Forschungen erhielt Rubakov zahlreiche Preise.

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Ein Beitrag von Felix Herrmann. Quelle: Fraiser Cain.

Mit leistungsfähiger, neuer Ausrüstung und sensiblen Messgeräten decken die Astronomen neue Wissenschaftsrätsel schneller auf, als sie sie aufklären können. Wir forschen zurzeit an etwa 4% des Universums herum, das ist normale Materie. Die anderen 96% bestehen aus dunkler Materie und dunkler Energie. Eine mögliche Erklärung für die dunkle Materie ist, dass sie vielleicht doch nicht so ein großes Mysterium ist, sondern nur mit der normalen Gravitation verwandte, weitreichende und sich ungewöhnlich verhaltende Gravitation aussendet. Sie nimmt nur eine andere Dimension des Raumes ein. Eine, die wir mit den heute vorhandenen Messinstrumenten nicht sehen können.

Ein merkwürdiger Hinweis für die Theorie von „Gravitation in großen Ausmaßen“ wurde von Pioneer-Raumsonden geliefert. Astronomen bemerkten in den 80er Jahren, dass Pioneer 10 und 11 nicht an dem Ort waren, wo sie sein sollten. Eine unbekannte Kraft verringerte ihre Geschwindigkeit, sodass sie nicht bis zum Zielort kamen. Aber diese Kraft war zu groß, als dass es die Gravitationskraft der Sonne hätte sein können. Leider wurden die Pioneer-Raumsonden noch von der Gravitationskraft anderer Objekte beeinflusst. Sie mussten gegen den Sonnenwind ankämpfen, wurden gestört von Kosmischer Strahlung und mussten Zusammenstößen mit Interstellaren Partikeln trotzen.

Wissenschaftler brauchen nun bessere Messgeräte, um ihre Theorien zu überprüfen, eine Möglichkeit, um die Gravitationskraft zu überprüfen ohne äußere Einflüsse und Störungen. In einer neuen Zeitschrift, genannt APSIS, werden die Arbeiten an einem künstlichem Planetensystem im Raum erwähnt, um die außerdimensionale Gravitation zu erforschen. Die Physiker Varun Sahnia und Yuri Shtanov versprechen eine ungewöhnliche Raumfahrtmission, eine mit einem Miniatursonnensystem.

Sie glauben, dass ein Raumschiff, welches ein Miniatursonnensystem beinhaltete, zum L2-Lagrange-Punkt des Erd-Sonnensystems fliegen könnte. Dies ist ein Punkt im Raum, wo sich die Gravitationskräfte von Erde und Sonne aufheben. Raumschiffe, die dort stationiert sind, haben eine sehr stabile Position. Der ‚Microwave Anisotropy Probe‘-Satellit ist schon dort positioniert. Das künstliche Sonnensystem wäre in dem Raumschiff von kosmischen Strahlen, Staub, dem Sonnenwind und all den anderen Einflüssen geschützt, die im freien Raum stören würden. Nur der Treibstofftank des Raumschiffs müsste so weit wie möglich von den Miniplaneten positioniert werden, da der Treibstoff langsam verbraucht wird und somit die Masse und damit wieder die Gravitationskraft sinkt.

Am Lagrange-Punkt L2 würde das Raumschiff die Miniplaneten in ihrer Schutzhülle in eine elliptische Umlaufbahn entlassen. Selbst wenn die Umlaufbahnen der Miniplaneten nicht perfekt wären, besäße das Raumschiff einen eingebauten Laser, der die Fehlstellung korrigieren kann. Die Position des Minisonnensytems könnte mit enormer Präzision über die Jahre verfolgt werden. Abweichungen in der Gravitationskraft würden festgehalten und an Kosmologen übermittelt. Dieses Experiment würde Berge von Daten an die Forscher liefern, um ihre Theorie der Extradimensionen zu bestätigen.

Zusätzlich zu seiner Hauptfunktion, könnte das Experiment noch Daten zu anderen Theorien liefern, zum Beispiel zu Forschungen an dunkler Energie und dunkler Materie.

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Ein Beitrag von Sven Flock.

Denn die klassische Theorie beschreibt ein Universum, das zu Beginn eine homogene und isotrope Massenverteilung aufweist. Somit hätten sich nie Massenansammlungen bilden können, die sich zu größeren Strukturen herauskristallisieren, welche letzten Endes die Keime unserer Galaxie und unserer Existenz sind. Ein weiteres Rätsel aus dem Bereich der Kosmologie: die kritische Massendichte. Dieser Parameter ist eine unverzichtbare Größe im klassischen Standardmodell des Urknalls, wenn es um die Zukunft der Entwicklung unseres Universums geht.
Nur leider kommt der experimentell beobachtbare und daraus geschätzte Wert nur auf gerade mal 10% des theoretischen Wertes. Seit der Inflationären Theorie des Universums (diese Theorie ist eine Ergänzung bzw. Modifikation der klassischen Urknalltheorie, welche eine Phase extrem schneller Expansion des globalen Universums beschreibt) ist man sich sehr sicher, dass der Wert des Parameters stimmen muss. Wo ist also die ganze fehlende Materie, damit man Theorie und Experiment wieder in Einklang bringen kann? Aus diesen Gründen machten sich die Wissenschaftler Gedanken, wie sie das Defizit an Materie eliminieren könnten, ohne die bereits vorhandenen Tatsachen und Theorien in Widerspruch zu führen. Deshalb kam man zu folgenden Schluss: es gibt Materie – man kann diese nicht visuell oder durch Emission von elektromagnetischer Strahlung beobachten, aber, und das ist das Ausschlaggebende, sie macht sich durch Ihre Gravitation bemerkbar – Die Geburtsstunde der dunklen Materie. Jetzt wird auch klar, wie der Begriff „Dunkle“ Materie entstanden ist – sie ist nicht sichtbar, aber dennoch vorhanden.

Dieser Artikel erörtert nun im Einzelnen die physikalischen Hintergründe für die Einführung der dunklen Materie, in der Astrophysik, sowie in der Kosmologie, die in der Einleitung nur angeschnitten wurden. Des Weiteren werden Kandidaten vorgestellt, die für diese Rolle in Frage kommen, um nun letztlich den angestrebten theoretischen Wert des Parameters zu erreichen.

Noch eine Bemerkung zur der Objektivität dieses Artikels: Nicht alle führenden Wissenschaftler akzeptieren die Vorstellung von dunkler Materie, die Lager sind vielmehr gespalten. Die Einführung ist zwar eine Möglichkeit, um die Widersprüche aus den bereits existenten Theorien und Modellen zu beseitigen, soll aber noch lange nicht bedeuten, dass diese richtig ist. Am Ende wird daher noch ein kleiner Überblick über Alternativen gegeben.

1.) Der Grund für die Einführung der dunklen Materie

1.1.) Ohne dunkle Materie wäre das Universum anders, als wir es bebachten

Die Widersprüche treten im klassischen kosmologischen Standardmodell auf. Um zu verstehen, was es damit auf sich hat, muss ich auf Aspekte der Allgemeinen Relativitätstheorie (ART – 1916) sowie auf die Friedmannschen Expansionsmodelle zu sprechen kommen.

Ausgangspunkt ist die Weiterentwicklung der Speziellen Relativitätstheorie aus dem Jahre 1905. Einsteins Ziel bestand darin, die Relativitätsprinzipen sowie invariante Größen, in Einklang mit der Gravitation zu bekommen. Dabei musste man sich aber von der damals gegenwärtigen Vorstellung von Raum und Zeit distanzieren. Einstein stellte sich die Raumzeit wie eine Art Gummituch vor, welche ohne Anwesenheit von Masse eine euklidische Geometrie aufweist. Laut Einstein besitzt Masse die Eigenschaft, die lokale Geometrie der Raumzeit zu verändern, sie zu krümmen. Gravitation ist somit äquivalent zur Raumzeit.

Sowohl Materie als auch Licht sind gezwungen, der Krümmung in der Raumzeit zu folgen, genau wie sie die Raumzeit verformt, was wiederum Materie dazu zwingt, sich entlang einer Geodäte durch die Raumzeit zu bewegen. Eine Geodäte ist die kürzest mögliche Verbindung zwischen zwei Punkten. Es wird dabei der Weg des geringsten Widerstandes gegangen.

„Einstein hat Newtons kalte, mechanistische Auffassung vom Raum, Zeit und Gravitation durch eine dynamische und geometrische Beschreibung ersetzt, die eine Krümmung der Raumzeit berücksichtigt. Auf diese Weise hat er die Gravitation mit der Grundstruktur der Raumzeit verwoben. Statt dem Universum als zusätzliche Struktur übergestülpt zu werden, wird die Gravitation auf fundamentalster Ebene zu einem integralen Bestandteil des Kosmos“

Bereits ein Jahr nach Veröffentlichung der ART verfasste Einstein einen weiteren Artikel mit dem Namen „Kosmologische Betrachtungen zur Allgemeinen Relativitätstheorie“. Darin erarbeite er die Konsequenzen seiner Theorie auf das ganze Universum. In dieser Abhandlung geht er von einem statischen Universum aus. Auch andere Physiker setzten sich mit diesem Thema auseinander. So auch der russische Mathematiker Alexander Friedmann. Im Gegensatz zu Einstein verwarf er die Annahme, dass der Kosmos statisch sei. Friedmann hat festgestellt, dass sich die Lösungen dieser so genannten Feldgleichungen in drei Kategorien einteilen lassen.

Die folgende Abbildung gibt einen Überblick über die 3 Modelle. Ganz deutlich zu erkennen ist, dass das Gesamtalter des Universums je nach Modell stark variiert. Der Parameter tH steht für die Hubblezeit und ist der Kehrwert zur Hubblekonstante. Diese Größe ist ausschlaggebend für die Expansionsgeschwindigkeit.

Das Bemerkenswerte ist, dass alle drei Lösungen von einer Expansion des Raumes ausgehen.
Im ersten Fall ist die Gravitation in der Lage, die Expansion des Universums zum Stillstand zu bringen und wieder umzukehren, die potentielle Energie überwiegt im Gegensatz zur kinetischen. Wie Einstein zeigt, beeinflusst die Masse die lokale Geometrie der Raumzeit. Wendet man die Gleichungen auf das gesamte Universum an, so stellt sich heraus, dass das Universum selbst eine globale Geometrie aufweisen muss. Die Raumzeit besitzt im Fall 1 eine sphärische Krümmung – eine Krümmung vergleichbar mit einer Kugeloberfläche. Man spricht hierbei von einem geschlossenen Universum.

Die zweite Lösung zeigt ein Gleichgewicht zwischen potentieller und kinetischer Energie. Dies führt dazu, dass zwar die Beschleunigung abgebremst wird, jedoch erst nach unendlicher Zeit zum Stillstand kommt.
In der dritten Möglichkeit reicht die Anziehungskraft aller Materie im Raum nicht aus, um die Expansion zu stoppen. Das hyperbolisch gekrümmte Universum dehnt sich unendlich und unendlich lang aus. Als zweidimensionale Analogie ist die Geometrie einer Sattelfläche äquivalent – man bezeichnet dies als ein offenes Universum.

(In der Abbildung sieht man auf der linken Seite den Entwicklungsverlauf des Universums anhand der Entfernung zweier Galaxien in einem Diagramm, in der Mitte die Geometrie aus der Außensicht und auf der rechten Seite befindet man sich innerhalb dieses Raumes. Der mit der Entfernung vom Betrachter zunehmende Braunton soll die Perspektivdarstellung unterstützen.)

Die zweite Lösung zeigt ein Gleichgewicht zwischen potentieller und kinetischer Energie. Dies führt dazu, dass zwar die Beschleunigung abgebremst wird, jedoch erst nach unendlicher Zeit zum Stillstand kommt.

In der dritten Möglichkeit reicht die Anziehungskraft aller Materie im Raum nicht aus, um die Expansion zu stoppen. Das hyperbolisch gekrümmte Universum dehnt sich unendlich und unendlich lang aus. Als zweidimensionale Analogie ist die Geometrie einer Sattelfläche äquivalent – man bezeichnet dies als ein offenes Universum.

Aber was hat das ganze mit der dunklen Materie auf sich? Der Schlüssel zu der Wahl, welches Modell nun letzten Endes zutrifft, hängt von der bereits in der Einleitung erwähnten kritischen Massendichte ab. Ist die im Universum beobachtbare Massendichte geringer als dieser kritische Wert, so trifft Modell 3 zu – ein offenes Universum, liegt der Wert darüber, tritt das Modell 1 in Kraft – das geschlossene Universum.

Bis zu Beginn der 80er des 20. Jahrhunderts war man sich nicht schlüssig, welches Modell nun zutrifft, denn es ist experimentell sehr schwierig abzuschätzen, wieviel Materie im Universum vorhanden ist. Materie kann folglich nur wahrgenommen werden, wenn EM-Stahlung von ihr emittiert wird. In Frage kommen also Galaxien, Sterne (wie unsere Sonne) sowie Radio- und Röntgenquellen (Quasare und schwarze Löcher), obwohl letztere nicht mehr im sichtbaren Bereich des EM-Spektrums liegen. Mit all diesen Objekten war die Wissenschaft vertraut, außerdem konnte man aus der Nukleosynthese (eine Phase im Urknallmodell, welche die Atomkernbildung beschreibt) das Vorkommen von Wasserstoff, Helium und Lithium abschätzen. Die daraus errechnete Massendichte schwankte damals im Bereich von 10-30% der kritischen Dichte. Das bedeutet also, dass wir in einem offenen Universum leben.

1982 stellte Alan Guth eine Modifikation der klassischen Urknalltheorie vor. Er fügte eine Phase, welche eine exponentiell ansteigende Expansionsgeschwindigkeit des Universums mit sich bringt, hinzu. Diese sogenannte Inflation zwingt das Universum, sich nach Modell 2 zu verhalten – also ein Universum mit einer vorherrschenden Massendichte, die exakt der kritischen Dichte entspricht.

Mit anderen Worten. Wo ist die fehlende Materie? Denn es müssen genau 100% erreicht werden – sonst ist ein Widerspruch zu den Friedmannschen Gleichungen vorhanden: Flaches Universum à Massendichte = kritische Dichte à euklidische Geometrie! Der Schlüssel zur Lösung des Problems: Es muss Materie existieren, die nicht mit Licht oder der so genannten elektromagnetischen Wechselwirkung interagiert. Dies hat zur Folge, dass man diese Form von Materie nicht visuell registrieren kann, sie macht sich nur durch ihre Gravitation bemerkbar, denn…

1.2) …ohne Dunkle Materie würden keine Galaxien und somit auch keine Erde existieren

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